紫外吸收光谱法测量CH4/O2/N2火焰温度及OH基浓度的研究

摘要

环境污染问题的日益突出以及航天推进技术的飞速发展，对研究燃烧过程、提高燃烧效率提出了更高的要求。而燃烧诊断的实质就是采集能反映燃烧系统工作状况的各种信息，包括温度、物质浓度、流场等，定量测量燃烧反应过程中火焰的温度以及中间反应物的浓度信息是燃烧诊断的两个重要方面。吸收光谱技术具有测量精度高、响应时间短、测量系统简单、抗干扰能力强，是燃烧诊断的一种重要手段。同时，由于吸收光谱技术具有的上述优势，使得吸收光谱技术有望成为平面激光诱导荧光（PLIF）技术的一种重要的标定方法。
　　本文基于可调谐紫外脉冲激光吸收光谱技术，对平焰燃烧器产生的CH4/O2/N2预混火焰的火焰温度以及OH基浓度进行了定量研究。实验中利用的是波长扫描技术，选取OH（A-X）跃迁中的P1(2)（308.639nm）、Q1(8)（309.240nm）两条吸收谱线为研究对象。
　　首先根据Lambert-Beer吸收定律推导了双线吸收光谱法的理论公式，确定了同时测量火焰温度以及OH基浓度的计算方法。结合OH基(A-X)的光谱分析以及LIFBASE中的仿真数据计算了所选的P1(2)、Q1(8)两条谱线的线强度、积分吸收率之比、测温灵敏度、线型函数等参数，为后续的实验测量了奠定理论基础。
　　其次，设计了依据紫外吸收光谱技术同时测量火焰温度及OH基浓度的实验方案，搭建了实验平台。并利用平面激光诱导荧光（PLIF）技术测量了平焰燃烧器火焰中OH基的空间分布，测量结果表明该火焰中OH基的分布均匀稳定，适合用于激光燃烧诊断定量化研究中。
　　最后利用紫外吸收光谱实验平台，测量了当量比为0.8条件下的CH4/O2/N2预混火焰中的不同位置的吸收谱线，并与前面计算的理论参数进行拟合，确定了火焰温度以及火焰中OH基浓度的分布。实验最终得出燃烧器表面1mm高度处的火焰温度为1950K，OH基浓度为26000ppm，随火焰高度的增加，OH基浓度降低，与剑桥大学以及斯坦福大学得出的结论相吻合。并且采用相同方法，获取了不同当量比以及不同流量条件下的火焰温度以及OH基浓度。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 国内外文献综述

1.3.1 测量方法的总结与分析

1.3.2 计算方法的总结与分析

1.3.3 存在的不足与待研究的问题

1.4 主要研究内容

第2章 吸收光谱法的理论分析

2.1 吸收光谱法理论分析

2.2 吸收谱线的选择

2.3 所需参数的理论计算

2.3.1 线强度的计算方法

2.3.2 温度及浓度的计算方法

2.3.3 谱线的线型函数

2.3.4 测温灵敏度的计算

2.4 本章小结

第3章 实验方案设计及实验平台建立

3.1 实验方案

3.2 实验装置

3.2.1 激光器模块

3.2.2 燃烧器模块

3.2.3 探测模块

3.2.4 数据采集模块

3.3 本章小结

第4章 火焰温度及OH基浓度的实验研究

4.1 吸收长度测量

4.2 不同位置处的火焰温度、OH基浓度研究

4.2.1 探测器标定

4.2.2 火焰温度测量结果

4.2.3 浓度测量结果

4.3 不同流量、不同当量比的火焰温度、OH基浓度研究

4.3.1 不同当量比测量结果

4.3.2 不同流量测量结果

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

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致谢